王曉莉 王旭明 牛翰卿 溫寶峰 王旭

摘要：深松鏟是深松機(jī)的核心部件，其性能代表著深松技術(shù)水平。綜述了目前國(guó)內(nèi)外深松鏟材料的研究現(xiàn)狀，介紹了制備深松鏟所采用的主要材料及其耐磨技術(shù)研究情況，以期為深松鏟材料的發(fā)展及應(yīng)用提供可借鑒的思路和參考。

關(guān)鍵詞：深松鏟； 耐磨性； 硬度

中圖分類號(hào)：TG141文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.02.001

Present Research Situation and Progress of Materials in Agricultural Machinery Subsoiler

Wang Xiaoli1，2 ，Wang Xuming1，2 ，Niu Hanqing2，3 ，Wen Baofeng2，4， Wang Xu1，2

（1. Lanzhou LS Energy Equipment Engineering Institute Co.， Ltd， Lanzhou 730314， China；2. Gansu Province Engineering Technology Research Center of High-end Castings and Forgings， Lanzhou 730314， China； 3. Lanzhou LS Casting and Forging Co.， Ltd， Lanzhou 730314， China；4. Lanzhou LS Testing Technology Co.， Ltd， Lanzhou 730314， China）

Abstract：Subsoiler is the key component of the subsoiling machine， its performances represents the subsoiling technology level.The research status of subsoiler materials in China and abroad was reviewed， the main materials used in subsoiler and the abrasion resistance research of materials was introduced in this paper， in order to provide some references and ideas for research and development of the materials used in subsoiler.

Keywords：subsoiler；abrasion resistance； hardness

基金項(xiàng)目：甘肅省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2015GS05896）

作者簡(jiǎn)介：王曉莉（1986-），女，甘肅張掖人，碩士研究生，工程師。

隨著世界各國(guó)生態(tài)環(huán)境的惡化和人們生態(tài)環(huán)境意識(shí)的加強(qiáng)，保護(hù)性耕作技術(shù)作為一項(xiàng)新型耕作技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，且愈來(lái)愈受到重視[1]。深松作業(yè)是保護(hù)性耕作的一種重要模式，可以保護(hù)土壤，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。在20世紀(jì)30年代初，西方發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始了對(duì)深松耕作技術(shù)的研究，并且開(kāi)始使用和推廣這項(xiàng)保護(hù)性耕作技術(shù)，取得了較好的成果[2-4]。我國(guó)近幾年來(lái)也在大力推廣深松技術(shù)的應(yīng)用。

深松鏟是深松機(jī)的核心部件，其性能代表著深松技術(shù)水平，其工作條件相對(duì)比較惡劣，在較硬物料磨損的情況下還承受一定的沖擊力，因此，深松鏟需要較高的硬度、沖擊韌性和耐磨性[5]。國(guó)外對(duì)深松鏟材料和制備技術(shù)都做了大量研究，取得了較好的效果[6]，我國(guó)對(duì)相關(guān)材料及制備技術(shù)研究起步較晚，目前由于成本高，使用壽命短等問(wèn)題，限制了其應(yīng)用。

本文綜述了目前國(guó)內(nèi)外深松鏟材料的研究現(xiàn)狀，介紹了制備深松鏟所采用的主要材料及其耐磨技術(shù)研究情況，以期為深松鏟材料的發(fā)展及應(yīng)用提供可借鑒的思路和參考。

1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近幾年來(lái)，農(nóng)機(jī)整地深松技術(shù)由于深松機(jī)械的普及逐漸出現(xiàn)，深松的實(shí)現(xiàn)主要依賴于深松機(jī)械的應(yīng)用[7]。近三十年來(lái)由于長(zhǎng)期沿用的以小型機(jī)械滅茬或旋耕為主耕作方式代替深翻，導(dǎo)致犁底層越來(lái)越厚，土壤板結(jié)。深松機(jī)械可以打破犁底層，保護(hù)土壤，適用于較硬的土地。深松機(jī)械的廣泛使用要求其關(guān)鍵零部件深松鏟材料必須要有較高的硬度、耐磨性和良好的沖擊韌性。

我國(guó)針對(duì)深松鏟的研究，最初只是通過(guò)對(duì)磨損機(jī)理和失效形式進(jìn)行分析，對(duì)其類型和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)[8]。深松鏟等農(nóng)機(jī)觸土關(guān)鍵部件的耐磨性研究于20世紀(jì)80年代初才開(kāi)始，通過(guò)對(duì)其使用材料和制備技術(shù)的研究，一些新材料和制備新方法、新工藝不斷涌現(xiàn)。我國(guó)深松鏟材料主要采用的是65Mn鋼，傳統(tǒng)方法一般采用對(duì)觸土部件磨損表面進(jìn)行特殊熱處理，或者在觸土部件表面采用熔覆及涂層技術(shù)，這些方法都在一定程度上提高了材料的耐磨性[9]，但是使用這些技術(shù)勢(shì)必會(huì)增加成本和制造難度。目前我國(guó)深松鏟存在的問(wèn)題主要是壽命短、磨損失效快，無(wú)法充分滿足使用要求。

為了適應(yīng)保護(hù)性耕作的需要，國(guó)外研究人員通過(guò)熱處理、冷加工改變表面特性、發(fā)展高強(qiáng)耐磨材料和表面涂層來(lái)提高耕作工具的耐磨性[10]。Foley等人[11]報(bào)道氧化鋁陶瓷可以很大程度地減少觸土部件的磨料磨損。Quirke等人[12]研究了熱處理硼鋼、中碳鋼、高碳鋼在實(shí)際工作中和實(shí)驗(yàn)條件下的耐磨性。Ali等人[13]研究了在低合金鋼表面涂敷熱塑性塑料的耐磨性。目前，國(guó)外大部分農(nóng)用耕作工具都是采用高碳鋼或低合金鋼制造[14]，以耐磨低合金鋼為主，研究者從材料成分及熱處理工藝進(jìn)行研究，研究出了制備簡(jiǎn)單、成本低且具有優(yōu)異性能的低合金耐磨鋼，廣泛地應(yīng)用于不同類型深松機(jī)的深松鏟制造。

2國(guó)內(nèi)外常用材料

2.1碳素結(jié)構(gòu)鋼

2.1.165Mn

JB/T 9788-1999深松鏟和深松鏟鏟柄中規(guī)定深松鏟采用GB/T 711規(guī)定的65Mn鋼制造，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

65Mn是制作各種板彈簧、絲彈簧的材料之一，多用于汽車、火車等交通運(yùn)輸工具中[15]，其力學(xué)性能見(jiàn)表2。＼[4]。

凌鋼等學(xué)者[16-17]對(duì)65Mn鋼進(jìn)行激光表面強(qiáng)化處理，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)淬火、回火處理相比，耐磨性能顯著提高，顯示了良好的應(yīng)用前景。

65Mn鋼經(jīng)常規(guī)淬火處理后的硬度為HRC55～60，但馬氏體脆性大，必須經(jīng)回火處理才能使用。為了滿足農(nóng)機(jī)部件高韌性的需要，一般在280～340 ℃回火，回火后的硬度可以達(dá)到HRC40～45。激光表面處理淬硬層的顯微硬度可以達(dá)到HRC66～69，與常規(guī)淬火、回火處理相比，激光表面處理后耐磨粒磨損能力可以提高1～2倍[17]。黃永俊[18]以65Mn鋼作為農(nóng)機(jī)刀具材料，對(duì)其淬火并中溫回火熱處理后，再進(jìn)行激光強(qiáng)化，表面獲得高硬度的淬硬層，心部基體具有一定的硬度和韌性，表面洛氏硬度可以達(dá)到HRC63～65。郝建軍[19]在65Mn鋼制作的根茬還田刀具易磨損部位噴焊了NiWC合金抗磨涂層，磨損試驗(yàn)表明，噴焊NiWC合金滅茬刀的相對(duì)耐磨系數(shù)比65Mn鋼淬火回火處理的有較大程度的提高。

2.1.2Q235

高原等人[20]在Q235鋼表面滲入鎢、鉬、釔和碳，表面合金化，并輔以特殊的淬火和回火工藝以強(qiáng)化表面合金層的性能，測(cè)試結(jié)果表明，材料顯示出良好的耐磨性能。張松等人[21]采用激光合金法在Q235鋼表面制備FeCoCrAlCu高熵合金涂層，結(jié)果表明，F(xiàn)eCoCrAlCu/Q235激光高熵合金化層的硬度約為Q235鋼基材的3倍。郝建軍等[19]在農(nóng)機(jī)刀具上采用預(yù)置法在Q235鋼基體上制備了Ni60A合金熔覆層，磨損試驗(yàn)表明，熔覆層耐磨性比常規(guī)淬火回火處理的65Mn鋼有所提高。

2.260Si2Mn

60Si2Mn彈簧鋼是我國(guó)應(yīng)用較為普遍的硅錳系合金彈簧材料，廣泛用于制造汽車、拖拉機(jī)和鐵路車輛上的螺旋彈簧、板彈簧及其他高應(yīng)力下工作的重要彈簧[22]，60Si2Mn鋼經(jīng)常規(guī)淬火處理后的硬度為HRC40～45之間。何乃如等[23]利用CO2氣體激光器對(duì)60Si2Mn樣件進(jìn)行了激光表面淬火處理，并進(jìn)行了以苜蓿草粉為磨料的磨料磨損試驗(yàn)，結(jié)果表明，60Si2Mn鋼經(jīng)激光表面淬火后，耐磨性提高了84.2%。

2.3耐磨低合金鋼

在耐磨鋼鑄件中，低合金鑄鋼的重要性日益增大。通常低合金耐磨鑄鋼以高強(qiáng)韌性、高硬韌性著稱。其強(qiáng)度和硬度高于耐磨錳鋼而在非大沖擊磨損工況可替代錳鋼；其塑、韌性高于耐磨鑄鐵，且在一定沖擊載荷的磨損工況下，使用壽命高于耐磨鑄鐵[24]。

目前，我國(guó)各類礦山用襯板、錘頭、鏟斗齒等易損件一般都采用高錳鋼制造[27]。在低沖擊負(fù)荷工況條件下，高錳鋼不能發(fā)生加工硬化而表現(xiàn)出較差的耐磨性。高鉻鋼又極易在濕磨的介質(zhì)下發(fā)生腐蝕，使其耐磨性下降，而且韌性也不高。故這兩種耐磨鋼在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的使用受到了一定的限制。低合金耐磨鋼用Cr、Mn、Nb、Ni和Si等合金進(jìn)行合金化，通過(guò)馬氏體、貝氏體相變強(qiáng)化及析出相強(qiáng)化等手段來(lái)提高耐磨性，其耐磨性高而且韌性也好[25-28]，綜合力學(xué)性較好。

Song Xuding[29]等人對(duì)低合金耐磨鋼進(jìn)行熱處理工藝研究，發(fā)現(xiàn)在900～920 ℃淬火，350～370 ℃回火后，硬度可以達(dá)到60HRC，沖擊韌性為18 J/cm2，抗拉強(qiáng)度1600 MPa。邢振國(guó)[30]等人選用30CrMo和 50CrMo低合金鋼制備深松鏟，其成分和性能如表3和表4所示，金相組織如圖1所示。從金相照片中看出，30CrMo回火后仍保持低碳馬氏體的形態(tài)，由于成分中S、P含量低，夾雜物含量低，所以沖擊韌性較高。50CrMo調(diào)質(zhì)后為細(xì)晶索氏體，晶粒細(xì)，硬度高，韌性好，所以綜合性能相對(duì)較好。但這二種鋼成本相對(duì)較高，實(shí)際應(yīng)用受到一定的限制。

西班牙BELLOTA公司采用中碳低鉻合金鋼制備出了耐磨性較高的深松鏟，成本低且具有較長(zhǎng)的使用壽命，經(jīng)熱處理后，其硬度可達(dá)到50HRC以上，顯微組織如圖2所示，從金相照片中可以看出，回火馬氏體均勻分布。

U Er[31]等人以SAE 950C（1.58%Mn，0.31%Si，0.17%C）低合金鋼作為犁鏵的基礎(chǔ)材料，進(jìn)行滲硼和滲碳后的耐磨性研究，結(jié)果表明，未經(jīng)處理的表面硬度只有140～168HV0.05，而滲碳后可以達(dá)到633～794 HV0.05，滲硼后表面硬度可以達(dá)到1268 HV0.05以上，耐磨性有較大程度的提高。

2.430MnB5

SSAB公司Domex系列的22MnB5、30MnB5、38MnB5、27MnCrB5 和33MnCrB5，早期主要作為耐磨材料應(yīng)用在鐵鍬、鋸條以及農(nóng)業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域[32-33]。Muammer等[10]在30MnB5鋼表面利用電解法電鍍厚度為20 μm的硬鉻鍍層，化學(xué)方向制備20 μm厚的鎳，物理沉積法制備4 μm厚的TiN層來(lái)增加犁刃表面的耐磨性能，結(jié)果表明，硬質(zhì)TiN樣件的耐磨性明顯高于其他兩種樣件，硬度可以達(dá)到827HV。30MnB5的化學(xué)成分如表5所示。

2.519436和12050

19436鋼是一種高合金工具鋼，具有較好的淬透性和耐磨性，常用在切割工具上。12050鋼是一種中碳鋼，主要應(yīng)用在高強(qiáng)載荷的機(jī)械中[34]。這兩種鋼經(jīng)一定的熱處理后具有較好的硬度和沖擊韌性匹配性，Radek Bedná等[34]對(duì)19436鋼和12050鋼的熱處理工藝進(jìn)行了一定的研究，其選用的化學(xué)成分如表6所示，對(duì)其進(jìn)行淬火并回火后性能如表7所示，金相組織如圖3所示。從金相照片中看出，19436鋼經(jīng)300 ℃回火后，有較多一次碳化物析出，而經(jīng)600 ℃回火后，碳化物彌散地分布在馬氏體相上，碳化物彌散的分布會(huì)導(dǎo)致材料的耐磨性降低。12050鋼經(jīng)300 ℃回火后，組織主要為珠光體和殘余鐵素體，因此，此材料的硬度會(huì)明顯較低，而沖擊韌性相對(duì)較好。

GJS 700-2是一種等溫淬火的球墨鑄鐵，這種材料適用于鑄造壁厚在5～75 mm的鑄件，具有良好的耐磨性和耐腐蝕性，用于制作高強(qiáng)度動(dòng)態(tài)機(jī)械載荷部件。Radek Bedná[34]等對(duì)其進(jìn)行一定方式的熱處理后，具有良好的力學(xué)性能，化學(xué)成分和力學(xué)性能如表8、表9所示。從目前應(yīng)用情況來(lái)看，球墨鑄鐵材料在深松鏟或農(nóng)業(yè)耕作觸土部件方面應(yīng)用較少。

3結(jié)語(yǔ)

深松技術(shù)已在我國(guó)大力推廣，深松機(jī)械及其關(guān)鍵零部件的需求也會(huì)越來(lái)越大。通過(guò)綜述了目前國(guó)內(nèi)外深松鏟材料的研究現(xiàn)狀、制備深松鏟所采用的主要材料及其耐磨技術(shù)研究情況，從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，深松鏟材料選用低合金耐磨鋼最合適，深松鏟采用低合金耐磨鋼制造不僅成本低，而且低合金鋼的力學(xué)性能，特別是硬度和韌度，可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)整，可根據(jù)不同的使用條件，將強(qiáng)度、沖擊吸收能量和耐磨性能綜合考慮和匹配。只要不因脆性而引起斷裂，其耐磨性隨硬度提高而增強(qiáng)。

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